固緯電子電力電子教學(xué)小課堂 | 第二十五講: PEK-130模塊之三相正弦脈寬調變逆變器
PTS-系列之PEK-100系列教學(xué)
PEK-130模塊之
三相正弦脈寬調變逆變器
經(jīng)過(guò)前幾期對于PTS-800中基本的電路圖拓撲結構的學(xué)習，我們已經(jīng)掌握了基本的電路模型。從PEK-100系列開(kāi)始，在固有電路拓撲基礎上開(kāi)始對電路的控制方式進(jìn)行學(xué)習。本期將針對直流變換器PEK-130對三相逆變器的數字控制進(jìn)行教學(xué)與分析，為老師提供符合教學(xué)目標的實(shí)驗設備。
PEK-130
三相逆變器模組
SPWM正弦脈寬度調變技術(shù)原理為由控制器產(chǎn)生的三相正弦波電壓命令與三角波做比較，經(jīng)過(guò)比較器，產(chǎn)生脈寬調變訊號驅動(dòng)逆變器，并使其輸出近似正弦波且為等幅不等寬的電壓波形。根據正弦波電壓和三角波的大小和頻率，可定義為下列兩個(gè)指標，其一為調變指標 (Modulaton Index)為：
式中Vcontrol為三相正弦波電壓峰值大小，Vtri為三角波峰值的大小。
其二為頻率調變比(Frequency modulation ratio)，定義為：
式中fs為三角波頻率，f1為正弦波電壓頻率。
上圖為三相逆變器電路圖
三相SPWM：
以A相為例，電壓VAN其基本波的峰值可用下式表示：
基本波線(xiàn)-線(xiàn)電壓大小(RMS)為：
當ma≤1時(shí)，稱(chēng)為逆變器的線(xiàn)性調變區，亦即當輸入正弦波電壓命令的峰值比三角波峰值小時(shí)，輸入電壓大小會(huì )與逆變器輸出電壓基本波的線(xiàn)-線(xiàn)電壓大小成正比。其三角波與正弦波如下圖所示：
三相空間向量SVPWM：
空間向量脈寬調變即是利用電壓空間向量的觀(guān)念，即由逆變器之六個(gè)功率組件的開(kāi)關(guān)切換狀態(tài)來(lái)產(chǎn)生旋轉的電壓向量空間，典型的三相變頻器如圖所示，其每相各有兩個(gè)開(kāi)關(guān)組件置于上臂及下臂，分別為上臂的S1、S3、S5及下臂的S2、S4、S6。在空間向量脈寬調變的控制模式下，逆變器每相開(kāi)關(guān)組件的導通狀態(tài)為互補式，即代表若上臂導通則下臂截止，反之若上臂截止則下臂導通。在控制上通常在開(kāi)關(guān)導通前加入一延遲時(shí)間以避免上臂與下臂功率組 件同時(shí)導通造成功率組件的損壞，此一延遲時(shí)間稱(chēng)之為死區時(shí)間。在此定義開(kāi)關(guān)導通狀態(tài)a、b、c相每一臂之開(kāi)關(guān)導通狀態(tài)，若a=1則代表上臂開(kāi)關(guān)導通下臂開(kāi)關(guān)截止，a = 0則代表上臂開(kāi)關(guān)截止下臂開(kāi)關(guān)導通。因此三相逆變器之輸出狀態(tài)共有八種，每一種狀態(tài)產(chǎn)生的線(xiàn)對線(xiàn)電壓，相電壓之輸出結果(直流鏈電壓為VDC)列于下表。
由上表可以得知，三相逆變器輸出之相電壓和線(xiàn)間電壓之關(guān)系，經(jīng)由坐標軸轉換至αβ平面上可得下表，其轉換之關(guān)系式為：
因此即由此八種開(kāi)關(guān)切換狀態(tài)將可得到八種不同的電壓向量。此八個(gè)電壓向量稱(chēng)為基本電壓向量，分別為六個(gè)有效電壓向量V1、V2、V3、V4、V5、V6及兩個(gè)零向量V0及V7。因此可利用此六個(gè)有效電壓向量將電壓空間平面分為六個(gè)區間，如下圖所示。其中αβ平面之α軸及β軸乃相對于交流馬達定子之水平軸及垂直軸， Vref則為輸出之參考電壓向量。
靜止坐標軸轉換：
將三相abc靜止坐標軸轉換至αβ靜止坐標軸系統，此轉換稱(chēng)為Clark轉換。依據下圖所示兩個(gè)坐標系統之間的關(guān)系，得出如下式的坐標轉換式：
fa、fb、fo為電壓及電流等在αβ軸下的變數量
fa、fb、fc為電壓及電流等在abc軸下的變數量
本文是采用非功率不變法則。此外，對于三相平衡系統，因此在做靜止坐標軸轉換時(shí)，零序分量是可被忽略的。下圖是采用PSIM仿真abc靜止坐標軸轉換至αβ靜止坐標軸之波形圖。
同步旋轉坐標軸轉換：
前一節透過(guò)坐標軸轉換將abc靜止坐標系統轉換至ab靜止坐標軸系統，本節進(jìn)一步將αβ靜止坐標軸轉換至DQ同步旋轉坐標軸系統，此轉換稱(chēng)為Park轉換，此時(shí)假設三相系統為平衡，零軸分量可被忽略，并將DQ軸與αβ軸同時(shí)放在二維向量平面上，如圖3.7 所示，此旋轉坐標以ωe角速度來(lái)旋轉，故可得坐標轉換公式：
其中：
反之，將旋轉坐標系統DQ軸轉換至ab坐標系統，此轉換稱(chēng)為反Park轉換，則轉換公式可表示：
實(shí)驗驗證：
